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Vor zehn Jahren erhielt Dr. Jeff Lichtman, Professor für Molekular- und Zellbiologie an der Harvard University, eine kleine Gehirnprobe in seinem Labor.

Dieser Kubikmillimeter Gewebe war zwar winzig, aber groß genug, um 57.000 Zellen, 230 Millimeter Blutgefäße und 150 Millionen Synapsen zu enthalten.

„Es war kleiner als ein Reiskorn, aber wir haben angefangen, es zu schneiden und anzuschauen, und es war wirklich wunderschön“, sagte er. „Aber als wir die Daten sammelten, wurde mir klar, dass wir viel mehr hatten, als wir bewältigen konnten.“

Letztlich gelangten Lichtman und sein Team aus der Stichprobe auf 1.400 Terabyte Daten, also etwa den Inhalt von mehr als einer Milliarde Büchern. Nach einem Jahrzehnt enger Zusammenarbeit zwischen dem Laborteam und Google-Wissenschaftlern sind diese Daten nun die detaillierteste Karte einer menschlichen Gehirnprobe, die jemals erstellt wurde.

300 Millionen Bilder

Die Gehirnprobe stammte von einem Patienten mit schwerer Epilepsie. Es sei ein Standardverfahren, sagte Lichtman, bei dem ein kleiner Teil des Gehirns entfernt werde, um die Anfälle zu stoppen, und dann das Gewebe untersucht werde, um sicherzustellen, dass es normal sei. „Aber es war anonymisiert, sodass ich außer ihrem Alter und Geschlecht fast nichts über den Patienten wusste“, sagte er.

Um die Probe zu analysieren, schnitten Lichtman und sein Team sie zunächst mit einem Messer mit Diamantklinge in dünne Abschnitte. Anschließend wurden die Abschnitte in Hartharz eingebettet und nochmals hauchdünn geschnitten. „Etwa 30 Nanometer oder etwa ein Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares. Sie wären praktisch unsichtbar, hätten wir sie nicht mit Schwermetallen gefärbt und sie in der elektronischen Bildgebung sichtbar gemacht“, sagte er.

Am Ende hatte das Team mehrere tausend Scheiben, die mit speziell angefertigtem Klebeband eingefangen wurden, wodurch eine Art Filmstreifen entstand: „Wenn man von jedem dieser Abschnitte ein Foto macht und diese Bilder aneinanderreiht, erhält man ein dreidimensionales Stück.“ des Gehirns auf mikroskopischer Ebene.

Das 3D-Bild oben zeigt erregende Neuronen, die entsprechend ihrer Tiefe von der Gehirnoberfläche gefärbt sind.  Blaue Neuronen sind diejenigen, die der Oberfläche am nächsten sind, und Fuchsia markiert die innerste Schicht.  - Google-Suche und Lichtman-Labor/Harvard University

Das 3D-Bild oben zeigt erregende Neuronen, die entsprechend ihrer Tiefe von der Gehirnoberfläche gefärbt sind. Blaue Neuronen sind diejenigen, die der Oberfläche am nächsten sind, und Fuchsia markiert die innerste Schicht. – Google-Suche und Lichtman-Labor/Harvard University

Da wurde den Forschern klar, dass sie Hilfe bei den Daten brauchten, da die resultierenden Bilder viel Speicherplatz beanspruchen würden.

Lichtman wusste, dass Google an einer 2019 veröffentlichten digitalen Karte des Gehirns einer Fruchtfliege arbeitete und über die entsprechende Hardware für die Arbeit verfügte. Er kontaktierte Viren Jain, einen leitenden Forschungswissenschaftler bei Google, der am Fruchtfliegenprojekt arbeitete.

„Es gab 300 Millionen verschiedene Bilder (in den Harvard-Daten)“, sagte Jain. „Was so viele Daten ausmacht, ist, dass man ein sehr hochauflösendes Bild auf der Ebene einer einzelnen Synapse erhält. Und allein in dieser kleinen Probe Gehirngewebe gab es 150 Millionen Synapsen.

Um den Bildern einen Sinn zu geben, verwendeten Google-Wissenschaftler eine KI-basierte Verarbeitung und Analyse und identifizierten die Art der in jedem Bild vorhandenen Zellen und wie sie miteinander verbunden waren. Das Ergebnis ist ein interaktives 3D-Modell des Gehirngewebes und der größte Datensatz, der jemals in dieser Auflösung über eine menschliche Gehirnstruktur erstellt wurde. Google stellte es unter dem Namen „Neuroglancer“ online, und gleichzeitig wurde eine Studie in der Zeitschrift Science veröffentlicht, an der Lichtman und Jain als Co-Autoren beteiligt waren.

Das Gehirn verstehen

Die Zusammenarbeit zwischen den Teams von Harvard und Google führte zu kolorierten Bildern, die einzelne Komponenten besser sichtbar machen, ansonsten aber eine genaue Darstellung des Stoffes darstellen.

„Die Farben sind völlig willkürlich“, sagt Jain, „aber darüber hinaus gibt es hier nicht viel künstlerische Freiheit.“ Das Problem ist, dass wir es nicht erfinden – das sind die echten Neuronen, die echten Drähte, die in diesem Gehirn existieren, und wir machen es nur praktisch und für Biologen zugänglich, damit es sie sehen und studieren kann. »

Die Daten enthielten einige Überraschungen. Anstatt beispielsweise eine einzige Verbindung zu bilden, bestehen Neuronenpaare aus mehr als 50. „Es ist ein bisschen so, als ob zwei Häuser in einem Häuserblock über 50 separate Telefonleitungen miteinander verbunden wären.“ Was passiert hier? Warum sind sie so eng miteinander verbunden? Wir wissen noch nicht, welche Funktion oder Bedeutung dieses Phänomen hat, wir müssen es eingehender untersuchen“, sagte er.

Letztendlich könnte die Beobachtung des Gehirns auf dieser Detailebene den Forschern helfen, ungelöste medizinische Probleme zu verstehen, sagt Lichtman.

„Was bedeutet es, unser Gehirn zu verstehen? Das Beste, was wir tun können, ist, es zu beschreiben, und hoffen, dass diese Beschreibungen zum Beispiel dabei helfen zu verstehen, wie unterschiedlich normale Gehirne von gestörten Gehirnen sind, bei psychiatrischen Erkrankungen bei Erwachsenen oder bei Entwicklungsstörungen wie Spektrum-Autismus … diese Art von Vergleich wird sein sehr wertvoll“, sagte er. „Letztendlich wird uns das Aufschluss darüber geben, was falsch läuft, worüber wir in den meisten Fällen noch im Dunkeln tappen.“

Lichtman glaubt auch, dass der Datensatz mit weiteren erstaunlichen Details gefüllt sein könnte, die aufgrund seiner Größe noch nicht entdeckt wurden: „Und deshalb teilen wir ihn online, damit jeder ihn nachschlagen und Dinge finden kann“, sagt er hinzugefügt.

Ein einzelnes Neuron (weiß) mit 5.600 Axonen (blau), die damit verbunden sind.  Die Synapsen, die diese Verbindungen herstellen, sind grün dargestellt.  Der Zellkörper (zentraler Kern) des Neurons hat einen Durchmesser von etwa 14 Mikrometern.  - Google-Suche und Lichtman-Labor/Harvard University

Ein einzelnes Neuron (weiß) mit 5.600 Axonen (blau), die damit verbunden sind. Die Synapsen, die diese Verbindungen herstellen, sind grün dargestellt. Der Zellkörper (zentraler Kern) des Neurons hat einen Durchmesser von etwa 14 Mikrometern. – Google-Suche und Lichtman-Labor/Harvard University

Als nächstes möchte das Team hinter dem Projekt eine vollständige Karte des Gehirns einer Maus erstellen, wofür zwischen 500 und 1.000 Mal die Datenmenge der menschlichen Gehirnprobe erforderlich wäre.

„Das würde 1 Exabyte oder 1.000 Petabyte bedeuten“, sagte Lichtman. „Viele Leute denken intensiv darüber nach, wie wir das machen sollen, und wir befinden uns im ersten Jahr einer fünfjährigen Proof-of-Concept-Phase. Ich denke, es wäre ein Wendepunkt für die Neurowissenschaften, wenn ein vollständiges Schaltbild des Gehirns von Säugetieren vorliegen würde. das würde viele Fragen beantworten. Und das würde natürlich noch viel mehr Probleme aufdecken, Dinge, mit denen wir nicht gerechnet hätten.“

Wie wäre es mit der Kartierung eines gesamten menschlichen Gehirns? Es wäre noch einmal 1.000-mal größer, erklärte Lichtman, was bedeutet, dass die Datenmenge 1 Zettabyte betragen würde. Laut Cisco entsprach dies im Jahr 2016 dem gesamten Internetverkehr des Jahres. Im Moment, so Lichtman, sei es nicht nur schwierig, so viele Daten zu speichern, sondern es gäbe auch keinen ethisch vertretbaren Weg, an ein intaktes, gut erhaltenes menschliches Gehirn zu gelangen.

Innovativ sein

Forscher auf demselben Gebiet, die nicht an der Arbeit beteiligt waren, zeigten sich begeistert, als CNN sie um einen Kommentar bat.

„Diese Studie ist wunderbar und aus solchen Daten lässt sich so viel lernen“, sagte Michael Bienkowski, Assistenzprofessor für Physiologie und Neurowissenschaften an der Keck School of Medicine der University of Southern California.

„Vieles von dem, was wir über das menschliche Gehirn zu wissen glauben, wurde von Tieren abgeleitet, aber Forschung wie diese ist unerlässlich, um herauszufinden, was uns wirklich zu Menschen macht.“ Die Visualisierung von Neuronen und anderen Gehirnzellen ist aufgrund ihrer Dichte und Komplexität wirklich schwierig, und der aktuelle Datensatz erfasst keine Verbindungen über größere Entfernungen“, sagte Bienkowski.

„Aus welchen anderen Regionen des Gehirns kommen diese Eingaben und wohin gehen die Ausgaben, wenn sie diese Region verlassen? Aber all diese verschiedenen Zelltypen und ihre Wechselwirkungen zu sehen, ist unglaublich und lässt einen dieses Meisterwerk der Architektur schätzen, das uns das Leben geschenkt hat“, fügte er hinzu.

Andreas Tolias, Professor für Augenheilkunde an der Stanford University in Kalifornien, stimmt dem zu. „Dies ist eine bemerkenswerte technische Studie, die die Struktur des menschlichen Kortex mit hoher Auflösung rekonstruiert“, sagte er. „Besonders begeistert hat mich die Entdeckung seltener Axone, die bis zu 50 Synapsen bilden können. Diese Entdeckung ist faszinierend und wirft wichtige Fragen zu ihrer rechnerischen Rolle auf.

Eine Darstellung zeigt alle erregenden (pyramidalen) Neuronen in einem Teil der Gehirnprobe in unterschiedlicher Vergrößerung und Neigung.  Sie sind entsprechend ihrer Größe gefärbt;  Der Zellkörper (zentraler Kern) der Zellen hat einen Durchmesser zwischen 15 und 30 Mikrometern.  - D. Berger/Harvard University

Eine Darstellung zeigt alle erregenden (pyramidalen) Neuronen in einem Teil der Gehirnprobe in unterschiedlicher Vergrößerung und Neigung. Sie sind entsprechend ihrer Größe gefärbt; Der Zellkörper (Zentralkern) der Zellen hat einen Durchmesser zwischen 15 und 30 Mikrometern. – D. Berger/Harvard University

Laut dem Neurowissenschaftler Olaf Sporns öffnet das Brain-Mapping-Projekt die Tür für zukünftige Untersuchungen.

„Jedes menschliche Gehirn ist ein riesiges Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen“, sagte Sporns, angesehener Professor für Psychologie und Gehirnwissenschaften an der Indiana University. „Dieses Netzwerk ermöglicht es Zellen, in sehr spezifischen Mustern zu kommunizieren, die für Gedächtnis, Denken und Verhalten von grundlegender Bedeutung sind. Die Kartierung dieses Netzwerks, des menschlichen Konnektoms, ist entscheidend für das Verständnis der Funktionsweise des Gehirns“, fügte er hinzu und wies darauf hin, dass die Studie neue Wege in Richtung dieses wichtigen Ziels beschreitet und aufregende neue Möglichkeiten zur Erforschung und Entdeckung bietet.

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By rb8jg

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